DE2425362A1

DE2425362A1 - SPEED-CHANGEABLE ELECTRIC DRIVE DEVICE WITH USED BRAKING POSSIBILITY

Info

Publication number: DE2425362A1
Application number: DE19742425362
Authority: DE
Inventors: Stefano Clemente; Brian R Pelly
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1973-05-29
Filing date: 1974-05-25
Publication date: 1975-01-02
Also published as: CA984447A; IT1012873B; AU6846874A; GB1472878A; JPS5021211A; SE7407136L; ZA742726B; FR2232129A1; ES426704A1; BE815588A; US3815002A; BR7404283A; CH580884A5

Description

DIPL.-ING. KLAUS NEUBECKERDIPL.-ING. KLAUS NEUBECKER

4 Düsseldorf 1 · S, chadowplatz 94 Düsseldorf 1 S, chadowplatz 9

•Düsseldorf, 24. Mai 1974• Düsseldorf, May 24, 1974

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A. Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Drehzahlveränderliche elektrische Antriebseinrichtung mit Nutzbremsmögllchkeit Variable-speed electrical drive device with regenerative braking

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den drehzahlveränderliehen Betrieb von Wechselstrom-Motoren, beispielsweise Käfigläufer-Induktionsmotoren, die von einem frequenzveränderlichen Wechselrichter gespeist werden, und insbesondere auf eine Anordnung zur Erhöhung des verfügbaren Bremsmoments, wenn ein solcher Motor im Bremsbetrieb gefahren wird.The present invention relates to the variable speed drive Operation of AC motors, e.g. squirrel cage induction motors, which are fed by a variable frequency inverter, and in particular to an arrangement for Increase in the available braking torque when such a motor is operated in braking mode.

Die Erfindung ist nicht unbedingt auf einen speziellen Anwendungsfall beschränkt, eignet sich jedoch in besonderer Weise für Zugantriebsmotoren, d. h. Antriebsmotoren für Schnellverkehr-Triebwagen oder sonstige Fahrzeuge. Für viele Anordnungen nach dem Stand der Technik sind üblicherweise Gleichstrom-Hauptschlußmotoren wegen ihres günstigen Drehzahl-/Drehmomentverhaltens und ihrer Einsetzbarkeit für dynamisches Bremsen verwendet worden, obwohl der Wechselstrom-Käfiganker-Induktionsmotor von Natur aus einen sehr robusten Aufbau hat und sich in hohem Maße für die rauhen BedingungenThe invention is not necessarily limited to a specific application, but is particularly suitable for traction drive motors, d. H. Drive motors for express railcars or other vehicles. For many prior art arrangements Technology are usually due to direct current main circuit motors their favorable speed / torque behavior and their usability has been used for dynamic braking, although the AC squirrel cage induction motor by nature has a very robust construction and is highly suitable for the harsh conditions

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des Zugbetriebs eignen würden, bei dem die Antriebsmotoren sowohl starken Erschütterungen und mechanischen Stoßbeanspruchungen als auch Schmutz und sonstigen in der Umgebungsluft befindlichen Verunreinigungen ausgesetzt sind. Wechselstrom-Induktionsmotoren sind bisher jedoch nicht verwendet worden, da sie im wesentlichen als Motoren mit konstanter Drehzahl angesehen wurden, die sich insofern nicht als Zugantrieb eignen würden. Die Entwicklung frequenzveränderlicher statischer Hochleistungs-Wechselrichter hat es jedoch möglich gemacht, die Verwendung von Induktionsmotoren auch als Zugantrieb in Betracht zu ziehen, um so die Vorteile von Induktionsmotoren auswerten zu können, daß sie einen robusten Aufbau haben, keine Kommutationsprobleme aufwerfen und sich im übrigen einfach regeln lassen.the train operation would be suitable, in which the drive motors both strong vibrations and mechanical shock loads as are also exposed to dirt and other contaminants in the ambient air. AC induction motors are however, heretofore not been used as they were essentially viewed as constant speed motors, which in this respect would not be suitable as a traction drive. However, the development of variable frequency static high power inverters has it made possible to consider the use of induction motors as a traction drive in order to take advantage of induction motors to be able to evaluate that they have a robust structure, do not pose any commutation problems and otherwise just let it take care of.

Ein Problem bei der Verwendung von Induktionsraotoren für Zugantriebe besteht darin, beim Arbeiten im Bremsbetrieb ein ausreichendes Bremsmoment zu erzielen. Das im Motor erzeugte Drehmoment ist eine Funktion der den Primärwicklungen zugeführten Spannung. Bei Betrieb als Motor kann die vom Wechselrichter = WR zugeführte Spannung entsprechend der Zunahme der Drehzahl bis zum maximalen Spannungswert des WR erhöht werden, um bei Beschleunigung des Motors ein konstantes Drehmoment aufrechtzuerhalten. Für höhere Drehzahlen wird die Spannung auf dem Maximalwert des WR konstantgehalten, und das Drehmoment nimmt mit steigender Drehzahl ab. Das ist für Motorbetrieb annehmbar, da bei den höheren Drehzahlen ein geringeres Beschleunigungsvermögen erforderlich ist und auch niedrige Drehmomente ausreichen. Wenn jedoch der Motor bei Bremsbetrieb als Induktionsgenerator angetrieben wird, wird für hoheA problem with the use of induction rotors for train drives is to achieve sufficient braking torque when working in braking mode. The torque generated in the engine is a function of the voltage applied to the primary windings. When operated as a motor, the inverter supplied by the inverter = INV The voltage can be increased in accordance with the increase in speed up to the maximum voltage value of the inverter, in order to accelerate the Engine to maintain a constant torque. For higher Speeds, the voltage is kept constant at the maximum value of the INV, and the torque decreases with increasing speed. That is acceptable for engine operation as less acceleration capability is required at the higher speeds and lower ones as well Sufficient torques. However, if the motor is driven as an induction generator during braking operation, is for high

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Drehzahlen ein Bremsmoment angestrebt, das mindestens so hoch wie das maximale Motormoment ist. D. h., die Maschine sollte auch bei den höheren Drehzahlen mit konstantem Drehmoment angetrieben werden, um es so möglich zu machen, ein im wesentlichen konstantes Bremsmoment für einen konstanten Verzögerungswert über einen möglichst großen Drehzahlbereich aufrechtzuerhalten. Dies würde jedoch, wie oben angedeutet, die Beaufschlagung mit einer Spannung erfordern, die das Mehrfache der bei Motorbetrieb zugeführten maximalen Spannung betragen kann, und wenn der WR diese hohe Spannung bei Bremsbetrieb liefern muß, so ergibt sich der Nachteil, daß seine maximalen Spannungs- und Leistungswerte entsprechend erhöht werden müssen und somit der WR zu groß und zu teuer wird, um sich in der Praxis noch wirtschaftlich für den Zugeintrieb einsetzen zu lassen.A braking torque aimed at speeds that is at least as high as the maximum motor torque. In other words, the machine should also be at the higher speeds are driven with constant torque, so as to make it possible to achieve a substantially constant To maintain braking torque for a constant deceleration value over the largest possible speed range. However, this would as indicated above, require the application of a voltage which is several times the maximum supplied during motor operation Voltage, and if the INV has to supply this high voltage during braking operation, the disadvantage arises that its maximum voltage and power values must be increased accordingly and thus the WR is too large and too expensive to in practice still use them economically for pulling in allow.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung einer Leistungs-Wechselrichteranordnung für veränderliche Frequenz, um einen Induktionsmotor sowohl bei Normallauf als auch im Bremsbetrieb speisen zu können, ohne daß dabei die Nachteile der bekannten Anordnungen in Kauf genommen werden müßten.The object of the present invention is to create a power inverter arrangement for variable frequency to feed an induction motor both in normal running and in braking mode without having to accept the disadvantages of the known arrangements.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine drehzahlveränderliche elektrische Antriebseinrichtung mit Nutzbremsmöglichkeit erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen elektrischen Motor mit Mehrphasen-Primärwicklungen, die durch eine Energiequelle veränderlicher Frequenz zum Betrieb des Motors mit veränderlicher Drehzahl im Motorbetrieb oder im Nutzbremsbetrieb gespeist sind und an die eine Mehrzahl Impedanzen zum Anheben einer vom Motor während seinesTo solve this problem is a variable speed electrical Drive device with regenerative braking possibility according to the invention characterized by an electric motor with multi-phase primary windings, that by a variable frequency energy source to operate the variable speed motor in motor operation or are fed in regenerative braking and to which a plurality of impedances for raising one of the engine during its

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-A--A-

Nutzbremsbetriebs abgegebenen Nutzbremsspannung zur Rückkopplung
von Energie an die Energiequelle jeweils einzeln in Reihe anschaltbar sind, sowie durch eine Schalteinrichtung zur Abtrennung der Impedanzen von den zugehörigen Wicklungen bei Motorbetrieb und zum Anschluß der Impedanzen an die zugehörigen Wicklungen bei
Nutzbremsbetrieb.Regenerative braking operation output regenerative braking voltage for feedback
of energy to the energy source can be connected individually in series, as well as by a switching device for separating the impedances from the associated windings during motor operation and for connecting the impedances to the associated windings
Regenerative braking.

Erfindungsgemäß wird somit ein Schaltungsaufbau vorgesehen, um bei Bremsbetrieb die Spannung an den Motorwicklungen zu erhöhen, ohne deshalb die von dem WR gelieferte Spannung über die für Motorbetrieb erforderliche Spannung erhöhen zu müssen.According to the invention, a circuit structure is thus provided to at Braking operation to increase the voltage on the motor windings without therefore increasing the voltage supplied by the inverter over that for motor operation to have to increase the required voltage.

Als Schalteinrichtung zur Abtrennung der Impedanzen von den zugehörigen Wicklungen können Thyristoren dienen, die so angeschlossen und gesteuert sind, daß sie die Impedanzen bzw. Widerstandseinrichtungen bei Motorbetrieb kurzschließen. Ggf. können die Thyristoren auch so gesteuert werden, daß sie den Effektivwert der Impedanzen beim Bremsen steuern, um das Bremsmoment zu beeinflussen und so eine gewünschte Bremskennlinie oder einen gewünschten Verzögerungswert einzustellen.As a switching device to separate the impedances from the associated ones Windings can serve thyristors, which are connected and controlled in such a way that they the impedances or resistance devices short-circuit when the engine is running. If necessary, the thyristors can also be controlled in such a way that they reduce the rms value of the impedances control during braking in order to influence the braking torque and thus a desired braking characteristic or a desired deceleration value to adjust.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der
Zeichnung zeigen:The invention is explained below on the basis of exemplary embodiments
explained in connection with the accompanying drawing. In the
Drawing show:

Fig. 1 schematisch ein Schaltbild einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung;Fig. 1 schematically shows a circuit diagram of a preferred
Embodiment of the invention;

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Fig. 2 ein die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 1 veranschaulichendes Vektordiagramm;Figure 2 is a vector diagram illustrating the operation of the circuit of Figure 1;

Fig. 3 eine Kurvenschar zur Veranschaulichung des erfindungsgemäß erzielbaren Motor- und Bremsbetriebs; 3 shows a family of curves to illustrate the motor and braking operation that can be achieved according to the invention;

Fig. 4 schematisch ein Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung; und4 schematically shows a circuit diagram of a modified embodiment of the invention; and

Fig. 5 schematisch ein Schaltbild einer etwas abgewandelten Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 4.5 schematically shows a circuit diagram of a somewhat modified one Embodiment of the circuit according to FIG. 4.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung zur Regelung eines allgemein mit 10 bezeichneten Induktionsmotors. Der Induktionsmotor 10 kann ein Mehrphasenmotor mit jedem geeigneten oder herkömmlichen Aufbau sein, der hier mit dreiphasigen Primärwicklungen 11 und einem Käfigläufer 12 wiedergegeben ist. Der Induktionsmotor 10 soll bei veränderlicher Drehzahl betrieben werden und wird daher von einem WR 13 veränderlicher Frequenz gespeist, der seinerseits an einer Gleichspannungsquelle oder einer sonstigen geeigneten Quelle liegt. Für den Fall eines Zugantriebs würde der WR üblicherweise über eine dritte Schiene oder einen sonstigen Leiter, beispielsweise eine Oberleitung, mit Gleichstrom gespeist, wenngleich der WR allgemein von jeder geeigneten Quelle gespeist werden kann. Der WR 13 kann jede geeignete Bauart aufweisen und ist auch nicht im einzelnen wiedergegeben worden, da er keinen unmittelbaren Bestandteil der vorlie-1 shows a first embodiment of the invention for controlling an induction motor generally designated 10. The induction motor 10 can be a polyphase motor of any suitable type or conventional construction, the one here with three-phase primary windings 11 and a squirrel cage 12 is shown. Of the Induction motor 10 is to be operated at a variable speed and is therefore fed by a WR 13 of variable frequency, which in turn is connected to a DC voltage source or another suitable source. In the event of a train drive the inverter would usually be via a third rail or some other conductor, for example an overhead line, fed by direct current, although the inverter can generally be fed from any suitable source. The WR 13 can do any suitable And has not been reproduced in detail, as it is not a direct part of the present

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genden Erfindung bildet. Er kann in jeder bekannten oder gewünschten Weise gesteuert werden, um eine Ausgangsspannung veränderlicher Frequenz und veränderlicher Amplitude an die dreiphasigen Primärwicklungen 11 des Induktionsmotors 10 abzugeben. Die Drehzahl und das Drehmoment des Motors lassen sich so regeln, um die gewünschten Motorkennlinien einzustellen.lowing invention forms. It can be in any known or desired Way controlled to give an output voltage of variable frequency and variable amplitude to the three-phase Output primary windings 11 of the induction motor 10. The speed and the torque of the motor can be regulated in order to set the desired motor characteristics.

Für den Zugantrieb und bestimmte weitere Anwendungsfälle, bei denen der Motor mit veränderlicher Drehzahl arbeiten soll, muß der Motor im Bremsbetrieb arbeiten, d. h. sich als Generator antreiben lassen können, um ein Bremsmoment zum Bremsen oder Verzögern des Triebwagens oder einer sonstigen Last zu erzeugen. Das vom Induktionsmotor 10 erzeugte Drehmoment ist eine Funktion der an die Primärwicklungen 11 angelegten Spannung, die - wie zuvor erwähnt zur Erzielung des gewünschten Bremsmoments bei höheren Drehzahlen höher als die für Motorbetrieb erforderliche Maximalspannung sein muß.For traction drive and certain other applications where the motor is to operate at a variable speed, the motor must work in braking mode, i. H. propel yourself as a generator can leave to generate a braking torque for braking or decelerating the railcar or any other load. The one from the induction motor 10 generated torque is a function of the voltage applied to the primary windings 11, which - as previously mentioned for Achieving the desired braking torque at higher speeds must be higher than the maximum voltage required for motor operation got to.

Erfindungsgemäß wird eine erhöhte Spannung bei Bremsbetrieb erhalten, ohne daß der WR 13 eine höhere Spannung als für Motorbetrieb erforderlich liefern müßte. Bei der Ausführung nach Fig. 1 wird dies durch drei Widerstände 14 verwirklicht, die in Reihe mit den Dreiphasen-Primärwicklungen 11 geschaltet und über den Nullpunkt 15 untereinander verbunden sind. Da die Widerstände 14 nur bei Bremsbetrieb benötigt werden, werden sie bei Motorbetrieb aus der Schaltung herausgenommen, was vorzugsweise mittels Thyristoren 16 erfolgt, die in der angedeuteten Weise parallel zu den Widerständen 14 geschaltet sind. Wie ersichtlich, werden die Wider-According to the invention, an increased voltage is obtained during braking operation, without the WR 13 having to supply a voltage higher than that required for motor operation. In the embodiment according to FIG this is accomplished by three resistors 14, which are connected in series with the three-phase primary windings 11 and across the zero point 15 are interconnected. Since the resistors 14 only are required during braking operation, they are removed from the circuit during motor operation, which is preferably done by means of thyristors 16 takes place, which are connected in parallel to the resistors 14 in the manner indicated. As can be seen, the cons

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stände 14, wenn bei Motorbetrieb fortlaufend Zündsignale an die Thyristoren 16 abgegeben werden, so daß diese leitend bleiben, kurzgeschlossen, und die Primärwicklungen 11 bilden eine herkömmliche Sternschaltung. Für jede Phase kann ein einzelner Transistor 16 verwendet werden. Um jedoch geradzahlige Harmonische zu eliminieren und eine bessere Regelung zu erhalten, ist vorzugsweise für jede Phase parallel zu den Thyristoren 16 noch ein zweiter Thyristor 17 mit entgegengesetzter Polarität parallelgeschaltet. Für Bremsbetrieb werden die Thyristoren 16 entweder fortlaufend oder für bestimmte Abschnitte jeder Halbwelle nichtleitend gemacht, und die Widerstände 14 werden dann in dem- Schaltungsaufbau in Reihe mit den Primärwicklungen geschaltet.status 14 if firing signals are continuously issued to the thyristors 16 during engine operation so that they remain conductive, short-circuited, and the primary windings 11 form a conventional one Star connection. A single transistor 16 can be used for each phase. However, to get even harmonics Eliminate and get a better regulation, is preferably a second for each phase in parallel with the thyristors 16 Thyristor 17 connected in parallel with opposite polarity. For braking operation, the thyristors 16 are either continuous or made non-conductive for certain sections of each half-wave, and the resistors 14 are then used in the circuitry connected in series with the primary windings.

Die Auswirkung dieser Schaltkreis-Ausgestaltung veranschaulicht das Vektordiagramm der Fig. 2, das die Zuordnung von Spannung und Strom einer einzelnen Phase bei Betrieb des Induktionsmotors 10 als Generator verdeutlicht, wenn die Thyristoren 16 und 17 nichtleitend sind. Wenn der Motor durch den Triebwagen oder eine andere Last als Induktionsgenerator angetrieben wird, so sucht der Motorstrom der Spannung um einen Winkel von annähernd 180° nachzueilen. Dieser Strom erzeugt gewissermaßen einen negativen Spannungsabfall, d. h. einen SpannungsZuwachs, der sich der zugeführten Spannung vektoriell addiert und somit für eine Erhöhung der Spannung an den Primärwicklungen sorgt. In dem Vektordiagramm der Fig. 2 ist der Strom durch den Vektor I wiedergegeben, während die zugeführte Spannung, d. h. die vom Umsetzer gelieferte Spannung, durch den Vektor V₃. wiedergegeben ist. Der Spannungsabfall an einem Widerstand 14 ist durch den Vektor IR wiedergegeben, während derThe effect of this circuit configuration is illustrated by the vector diagram in FIG. 2, which illustrates the assignment of voltage and current of a single phase when the induction motor 10 is operated as a generator when the thyristors 16 and 17 are non-conductive. If the motor is driven by the railcar or another load as an induction generator, the motor current tries to lag behind the voltage by an angle of approximately 180 °. This current creates, so to speak, a negative voltage drop, ie a voltage increase that adds vectorially to the supplied voltage and thus ensures an increase in the voltage on the primary windings. In the vector diagram of FIG. 2, the current is shown by the vector I, while the supplied voltage, ie the voltage supplied by the converter, is shown by the vector V ₃ . is reproduced. The voltage drop across a resistor 14 is represented by the vector IR during the

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Blindspannungsabfall aufgrund der Induktivität der Primärwicklung 11 durch den Vektor IX wiedergegeben ist. Diese Spannungsabfälle addieren sich einander sowie der zugeführten Spannung V₁ vektoriell, so daß sich an den Primärwicklungen die resultierende Spannung V_M einstellt. Da der Strom, wie zuvor erwähnt, der resultierenden Spannung V um nahezu 180 nacheilt, ergänzen die Spannungsabfälle in dem Schaltungsaufbau und die zugeführte Spannung einander so, daß es zu einem beträchtlichen Anstieg der Spannung an den Motorwicklungen kommt. Auf diese Weise wird eine erhöhte Spannung geschaffen, um das Bremsmoment beim Bremsbetrieb zu erhöhen, ohne daß deshalb die vom WR gelieferte Spannung über die für Motorbetrieb benötigte Spannung erhöht werden müßte.Reactive voltage drop due to the inductance of the primary winding 11 is represented by the vector IX. These voltage drops add vectorially to one another and to the applied voltage V ₁ , so that the resulting voltage V _{M is} established at the primary windings. As previously mentioned, since the current lags the resulting voltage V by nearly 180, the voltage drops in the circuitry and the applied voltage complement each other so that there is a significant increase in the voltage across the motor windings. In this way, an increased voltage is created in order to increase the braking torque during braking operation without the voltage supplied by the INV having to be increased above the voltage required for motor operation.

Die Wirksamkeit dieses Aufbaus wird weiter durch die Kurven der Pig 3. veranschaulicht, die Drehzahl-/Drehmomentkurven für eine typische Ausführung der Erfindung sind. Die Kurve A gibt die Drehzahl- /Drehmomentcharakteristik der Maschine bei Motorbetrieb wieder, während die Kurve B die Drehzahl-/Drehmomentcharakteristik für Bremsbetrieb wiedergibt. Die Kurve C repräsentiert die zugeführte Spannung, d. h. die vom WR an die Maschine gelieferte Spannung. Wie ersichtlich, nimmt für Motorbetrieb die zugeführte Spannung linear mit der ansteigenden Drehzahl zu, um ein konstantes Drehmoment beizubehalten, bis die maximal verfügbare Spannung erreicht wird. Danach wird die Spannung konstantgehalten, und das Drehmoment nimmt in der mit der Kurve A angedeuteten Weise ab, so daß der Motor in diesem Drehzahlbereich mit annäherend konstanter Leistung arbeitet. Für Motorbetrieb reicht dies völlig aus, da bei diesen höheren Drehzahlen weniger Beschleunigungsvermögen als imThe effectiveness of this setup is further illustrated by the curves of Pig 3., the speed / torque curves for a are typical embodiments of the invention. Curve A shows the speed / torque characteristics of the machine when the engine is running, while curve B shows the speed / torque characteristics for braking operation. The curve C represents the supplied Tension, d. H. the voltage supplied by the inverter to the machine. As can be seen, takes the supplied for engine operation Voltage increases linearly with increasing speed in order to maintain a constant torque until the maximum available voltage is achieved. Thereafter, the voltage is kept constant and the torque decreases in the manner indicated by curve A, see above that the motor works with almost constant power in this speed range. This is completely sufficient for motor operation, as with these higher speeds less acceleration capacity than in the

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niedrigeren Teil des Drehzahlbereichs erforderlich ist. Für Bremsbetrieb sollte das Bremsmoment jedoch über einen möglichst großen Bereich konstantgehalten werden können und dabei nicht geringer als das maximale Motormoment sein, um die notwendige Bremswirkung und den notwendigen Verzögerungswert zu erhalten und den Bremswert bzw. Verzögerungswert über einen möglichst weiten Drehzahlbereich steuern und konstanthalten zu können. Die Kurve B der Fig. 3 zeigt die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung in dieser Beziehung, und man erkennt, daß das Bremsmoment über nahezu den ganzen Drehzahlbereich konstant und das gleiche wie das maximale Motordrehmoment bleibt und erst bei sehr hohen Drehzahlen abfällt. Dieses Ergebnis wird ohne Erhöhen der zugeführten Spannung über die für Motorbetrieb erforderliche Maximalspannung, wie sie mit der Kurve C veranschaulicht ist, erzielt. Wenn keine Möglichkeit besteht, die Motorwicklungsspannung zu erhöhen, kann eine Drehzahl-ZDrehmomentkurve entsprechend der Kurve B beim Bremsen nur durch weiteres lineares Erhöhen der zugeführten Spannung erhalten werden. Ein Extrapolieren des ansteigenden Teils der Kurve C zeigt, daß dies ein Spannungsniveau von mehr als dem Zweifachen der für Motorbetrieb benötigten Maximalspannung erfordern würde. Eine solche Erhöhung der vom WR 13 erhältlichen Maximalspannung würde zu einem sehr großen und teuren WR führen, der sich in der Praxis für den Einsatz im Rahmen eines Zugantriebs nicht als wirtschaftlich erweisen würde. Die vorliegende Erfindung macht es demgegenüber möglich, die gewünschte Bremscharakteristik auf einfache und relativ billige Weise zu erhalten, ohne die Größe oder die Kosten des WR über die für Motorbetrieb erforderlichen Werte zu erhöhen.lower part of the speed range is required. For braking operation, however, it should be possible to keep the braking torque constant over the largest possible range and not be less than the maximum motor torque in order to obtain the necessary braking effect and the necessary deceleration value and to be able to control and maintain the braking value or deceleration value over the widest possible speed range . Curve B of FIG. 3 shows the effectiveness of the present invention in this respect, and it can be seen that the braking torque remains constant over almost the entire speed range and the same as the maximum engine torque and only drops at very high speeds. This result is achieved without increasing the applied voltage above the maximum voltage required for motor operation, as illustrated by curve C. If it is not possible to increase the motor winding voltage, a speed / torque curve corresponding to curve B can only be obtained during braking by further linear increase in the voltage supplied. Extrapolating the rising portion of curve C shows that this would require a voltage level greater than twice the maximum voltage required for motor operation. Such an increase in the maximum voltage available from the WR 13 would lead to a very large and expensive WR, which in practice would not prove to be economical for use in the context of a traction drive. The present invention , on the other hand, makes it possible to obtain the desired braking characteristics in a simple and relatively inexpensive manner without increasing the size or cost of the INV beyond the values required for engine operation.

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Die Thyristoren 16 und 17 können in jeder gewünschten Weise gesteuert werden, wobei jedoch die Steuerschaltung für diese Thyristoren nicht im einzelnen gezeigt worden ist, da es sich dabei um einen unmittelbaren Bestandteil der Erfindung handelt. Wie jedoch mit Fig. 1 schematisch angedeutet, können die Thyristoren durch
Stromsignale gesteuert werden, die vom WR-Ausgang abgeleitet und
einem Bremsfreigabekreis 20 zugeführt werden,,der außerdem mit
Signalen von der WR-Zündreferenz 21 gespeist wird. Der Bremsfreigabekreis 2O ermittelt anhand dieser Signale, ob der Induktionsmotor 10 im Brems- oder aber im Motorbetrieb arbeitet, um dann
die Zündwinkelsteuerung 22 entsprechend zu beeinflussen. Die Zündwinkelsteuerung erhält Signale von der WR-Zündreferenz 21, außerdem von einer WR-Frequenz-Signalquelle 23 und liefert Zündsignale über die Leiter 24 an die Thyristoren 16 bzw. die Leiter 25 an die Thyristoren 17. Wenn die Thyristoren 17 nicht verwendet werden,
werden die Leiter 25 natürlich weggelassen. Die. Zündwinkelsteuerung 22 gibt die notwendigen Signale für die Zündung der Thyristoren ab, um diese bei Motorbetrieb leitend zu halten, andererseits bei Bremsbetrieb nichtleitend werden zu lassen. Sofern gewünscht, kann eine Phasenwinkelsteuerung vorgesehen sein, um die Thyristoren zum richtigen Zeitpunkt in jeder Halbperiode zu zünden und so den effektiven Widerstandswert der Widerstände zu steuern und damit das gewünschte Bremsmoment zu erhalten.The thyristors 16 and 17 can be controlled in any desired manner, but the control circuitry for these thyristors has not been shown in detail since it is an integral part of the invention. However, as indicated schematically with FIG. 1, the thyristors can through
Current signals are controlled, derived from the WR output and
a brake release circuit 20 are supplied, which also with
Signals from the WR ignition reference 21 is fed. The brake release circuit 2O uses these signals to determine whether the induction motor 10 is operating in the braking mode or in the motor mode, in order to then
to influence the ignition angle control 22 accordingly. The firing angle control receives signals from the inverter ignition reference 21, as well as from an inverter frequency signal source 23 and supplies ignition signals via the conductors 24 to the thyristors 16 and the conductors 25 to the thyristors 17. If the thyristors 17 are not used,
the conductors 25 are of course omitted. The. Firing angle control 22 emits the necessary signals for firing the thyristors in order to keep them conductive during engine operation and, on the other hand, to let them become non-conductive during braking operation. If desired, a phase angle control can be provided in order to fire the thyristors at the correct point in time in each half cycle and thus to control the effective resistance value of the resistors and thus to obtain the desired braking torque.

Die Steuerung bzw. Regelung arbeitet daher so, daß die Widerstände bei Hotorbetrieb aus der Schaltung herausgenommen werden und somit der Induktionsmotor 10 als normaler Induktionsmotor mit sternförmig geschalteten Primärwicklungen laufen kann. Wenn gebremst werdenThe control or regulation therefore works so that the resistors can be removed from the circuit during Hotorbetrieb and thus the induction motor 10 as a normal induction motor with a star shape switched primary windings can run. When braked

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soll, erfaßt der Bremsfreigabekreis 20 diesen Zustand und steuert die Zündung der Thyristoren 16 und 17 entsprechend. Bei den niedrigeren Drehzahlen kann es sein, daß der durch die Widerstände 14 hervorgerufene Spannungsanstieg nicht benötigt wird, wie das anhand der Kurven B und C in Fig. 3 ersichtlich ist, und wenn die Drehzahl in diesem niedrigeren Bereich liegt, können die Thyristoren leitend gehalten werden, um die Widerstände für die Schaltung unwirksam zu machen. Bei den höheren Drehzahlen oder wenn höhere Bremsmomente erforderlich sind, werden die Thyristoren nichtleitend gemacht, um die Widerstände in die Schaltung einzufügen, wobei die Thyristoren auch in der oben angegebenen Weise gesteuert werden können, um den effektiven Widerstandswert zu ändern und damit das gewünschte Bremsmoment zu erhalten.should, the brake release circuit 20 detects this state and controls the ignition of the thyristors 16 and 17 accordingly. With the lower ones Speeds, it may be that the voltage rise caused by the resistors 14 is not required, as shown on the basis of curves B and C in Fig. 3 can be seen, and when the speed is in this lower range, the thyristors be kept conductive in order to make the resistors for the circuit ineffective. At the higher speeds or if higher Braking torques are required, the thyristors are made non-conductive in order to insert the resistors into the circuit, whereby the thyristors can also be controlled in the manner indicated above in order to change the effective resistance value and thus to get the desired braking torque.

Bei der Ausführung der Erfindung nach Fig. 1, wie sie vorstehend beschrieben wurde, wird der Induktionsmotor 10 in einer teils rückgewinnenden (Nutz-), teils dynamischen Bremsbetriebsart betrieben, um ein Bremsmoment zu erhalten. Einige Leistung wird über den WR an die Gleichspannungsquelle zurückgeliefert, während die restliche Energie in den Widerständen 14 als Wärme abgeleitet wird. Fig. 4 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung, bei der die Bremsenergie vollständig zurückgewonnen und an die Gleichstromquelle zurückgeliefert wird. Bei dieser Ausführungsform sind der Induktionsmotor 10 und seine zugehörigen Primärwicklungen 11 in der gleichen Weise wie zuvor beschrieben ausgebildet, und ebenso erfolgt ihre Versorgung mit einer Spannung veränderlicher Frequenz und veränderlicher Amplitude vom WR 13. Jedoch sind bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung die Dreiphäsen-In the embodiment of the invention according to FIG. 1, as described above, the induction motor 10 is in a part regenerative (useful), partly dynamic braking mode operated in order to obtain a braking torque. Some performance will be over the WR is returned to the DC voltage source, while the remaining energy in the resistors 14 is dissipated as heat will. Fig. 4 shows another embodiment of the invention in which the braking energy is completely recovered and fed to the direct current source is returned. In this embodiment, the induction motor 10 and its associated primary windings 11 formed in the same way as described above, and also their supply with a voltage is more variable Frequency and variable amplitude of the WR 13. However, in this embodiment of the invention, the three-phase

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Primärwicklungen 11 des Induktionsmotors 10 jeweils an die Primärwicklungen von Transformatoren 30 angeschlossen, die sternförmig mit einem Nullpunkt 31 geschaltet sind. Wie zuvor sind Paare entgegengesetzt gepolter"Thyristoren 16 und 17 angeschlossen, die bei Motorbetrieb wirksam werden. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren 30 sind ebenfalls sternförmig mit einem Nullpunkt 32 geschaltet, und ihre Ausgänge speisen eine dreiphasige Gleichrichterbrücke 33. Der Ausgang der Gleichrichterbrücke 33 ist über Leiter 34 an die Gleichstromquelle angeschlossen.Primary windings 11 of the induction motor 10 each to the primary windings connected by transformers 30, which are connected in a star shape with a zero point 31. As before, couples are opposite polarized "thyristors 16 and 17 connected to the Motor operation take effect. The secondary windings of the transformers 30 are also connected in a star shape with a zero point 32, and their outputs feed a three-phase rectifier bridge 33. The output of the rectifier bridge 33 is via conductors 34 connected to the DC power source.

Man erkennt, daß der Aufbau aus den Transformatoren 30 und der Gleichrichterbrücke 33, über den Leistung an die Gleichstromquelle zurückgeführt wird, einen Widerstandslastkreis darstellt, der mit den Motorwicklungen in Reihe geschaltet ist und im wesentlichen die gleiche Wirkung wie die Widerstände 14 der Fig. 1 hat. Es wird somit an den Primärwicklungen 11 in der gleichen Weise wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Spannungsanstieg erzeugt, so daß das erforderliche Bremsmoment in der gleichen Weise erhalten wird. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 hat jedoch den Vorzug, daß im wesentlichen die gesamte Bremsenergie zurückgewonnen und an die Speiseleitung zurückgeführt wird, anstelle wie in Verbindung mit Fig. 1 teilweise vernichtet zu werden. Wenn die Thyristoren 16 und 17 eingesetzt werden, können sie in der gleichen Weise wie oben beschrieben gesteuert werden, um die Transformatoren bei Motorbetrieb kurzzuschließen, so daß die Primärwicklungen 11 bei Motorbetrieb einfach sternförmig miteinander verbunden sind. Das Bremsmoment kann gewünschtenfalls durch Phasenwinkel steuerung der Thyristoren gesteuert werden, wobei derIt can be seen that the structure of the transformers 30 and the rectifier bridge 33, via the power to the direct current source is fed back, represents a resistive load circuit connected in series with the motor windings and essentially has the same effect as the resistors 14 of FIG. It will thus to the primary windings 11 in the same manner as in the previously described embodiment generated a voltage increase, so that the required braking torque in the same way is obtained. The embodiment according to FIG. 4, however, has the advantage that essentially all of the braking energy is recovered and is returned to the feed line instead of being partially destroyed as in connection with FIG. If the Thyristors 16 and 17 are used, they can be controlled in the same way as described above to control the transformers to be short-circuited during motor operation, so that the primary windings 11 simply star-shaped with one another during motor operation are connected. The braking torque can, if desired, be determined by phase angles control of the thyristors are controlled, the

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Betrieb und die Arbeitsweise im wesentlichen die gleichen sind, wie zuvor in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben.Operation and working are essentially the same as previously described in connection with FIG.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind herkömmliche Zweiwicklungs-Transformatoren 30 gezeigt. Es ist naturgemäß möglich, diese Transformatoren durch Spartransformatoren zu ersetzen, um die gewünschten Spannungsverhältnisse mit etwas niedrigeren Kosten einstellen zu können. Ein solcher Schaltungsaufbau läßt sich in einigen Fällen weiter dadurch vereinfachen, daß die Transformatoren ganz herausgenommen werden. D. h., wenn das übersetzungsverhältnis der Transformatoren 1 : 1 gemacht werden kann, so wird der Transformator selbst überflüssig, so daß man zu dem Schaltungsaufbau nach Fig. 5 gelangen kann, bei dem die Gleichrichterbrücke 33 unmittelbar an die Primär- oder Statorwicklungen 11 angeschlossen ist. Die Thyristoren 16 und 17 sind in der gleichen Weise wie zuvor beschrieben angeschlossen und gesteuert. Bei diesem Schaltungsaufbau wird eine Zwischenphasenreaktanz mit Wicklungen 35 benötigt, die jeweils in Reihe mit den Gleichstrom-Leitern 34 und miteinander dadurch gekoppelt sind, daß sie auf einen gemeinsamen Kern 36 aufgewickelt sind. Das ist notwendig, um Welligkeitskomponenten der Spannung zu unterdrücken, die zwischen den Gleichspannungs-Ausgangsklemmen der Gleichrichterbrücke 33 und der Gleichspannungsquelle auftreten. Wie ersichtlich, wirken jedoch auch in diesem Fall die Gleichrichterbrücke 33 und der Versorgungskreis wirksam als Widerstandslast in Reihenschaltung mit den Primäroder Statorwicklungen, so daß in der gleichen Weise wie zuvor beschrieben ein Spannungsanstieg erzeugt wird.In the embodiment of FIG. 4, conventional two-winding transformers are used 30 shown. It is of course possible to replace these transformers with autotransformers the desired tension at a slightly lower cost to be able to adjust. In some cases, such a circuit structure can be further simplified in that the transformers be taken out completely. That is, if the transmission ratio of the transformers can be made 1: 1, so the transformer itself becomes superfluous, so that one has to build the circuit 5, in which the rectifier bridge 33 is connected directly to the primary or stator windings 11 is. The thyristors 16 and 17 are in the same way as before described connected and controlled. In this circuit construction, an interphase reactance with windings 35 is required, each in series with the DC conductors 34 and coupled to one another in that they are connected to a common Core 36 are wound. That is necessary for ripple components suppress the voltage between the DC output terminals the rectifier bridge 33 and the DC voltage source occur. As can be seen, however, also work in In this case, the rectifier bridge 33 and the supply circuit act as a resistive load in series with the primary or Stator windings so that a voltage rise is generated in the same manner as previously described.

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Erfindungsgemäß wird damit eine verbesserte Motorschaltung zur Verfügung gestellt, um ein erhöhtes Bremsmoment bei Bremsbetrieb eines Käfiganker-Induktionsmotors zu erhalten, wobei dieses erhöhte Drehmoment gewonnen wird, ohne daß die von der Energiequelle zugeführte Spannung irgendeiner Erhöhung bedürfte. Das auf diese Weie erhaltene Bremsmoment läßt sich bequem durch die Steuerung der Zündung der kurzschließenden Thyristoren "bestimmen, die in jeder gewünschten Weise verwirklicht werden kann. Es wird eine verhältnismäßig einfache und sehr wirksame Einrichtung geschaffen, um die gewünschten Bremsmomente zu erhalten und bei bestimmten der beschriebenen Ausführungsbeispiele Nutzbremsbetrieb zu ermöglichen, um so die Bremsenergie zurückgewinnen zu können. Es versteht sich auch, daß trotz der Tatsache, daß die Erfindung in Verbindung mit Induktionsmotoren erläutert wurde, ihre Anwendung grundsätzlich auch für andere Motortypen, beispielsweise Synchronmotoren möglich ist.According to the invention thus an improved motor circuit for Provided to obtain an increased braking torque during braking operation of a squirrel cage induction motor, this increased Torque is obtained without any increase in the voltage supplied by the power source. That on this How obtained braking torque can be easily determined by controlling the ignition of the short-circuiting thyristors "in each desired way can be realized. A relatively simple and very effective device is provided for to obtain the desired braking torques and to enable regenerative braking operation in certain of the exemplary embodiments described, in order to be able to recover the braking energy. It is also understood that, despite the fact that the invention is in connection was explained with induction motors, their application in principle also for other motor types, for example synchronous motors is possible.

Patentansprüche: Patent claims :

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Claims

Patent claims:

Variable-speed electrical drive device with regenerative braking, characterized by an electrical Induction motor (10) with polyphase primary windings (11) driven by a variable frequency energy source to operate the induction motor with variable speed in motor mode or in regenerative braking mode and to the plurality of impedances for increasing a regenerative braking voltage output by the motor during its regenerative braking operation can be connected individually in series for feedback of energy to the energy source, as well as by a switching device for separating the impedances from the associated windings during motor operation and for connection the impedances to the associated windings during regenerative braking.

2. Drive device according to claim 1, wherein the impedances are formed by resistors, characterized by a device for changing the effective resistance value of the resistors (14) during regenerative braking.

3. Drive device according to claim 1 or 2, characterized in that that the energy source is an WR (13) connected to a direct current source.

4. Drive device according to claim 2 or 3, characterized in that that the switching device is parallel to the

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stands (14) has switched semiconductor switches for short-circuiting the resistors during motor operation.

5. Drive device according to one of claims 2-4, characterized by a device for determining the conductivity state the switching device and thus to control the effective resistance of the resistors Regenerative braking.

6. Drive device according to one of claims 1,3-5, characterized in that the impedances have a rectifier connected to the primary windings and a have DC load circuit connected to the rectifiers.

7. Drive device according to claim 3, wherein the polyphase primary windings have the number of phases three, characterized in that the plurality of impedances to the corresponding Phases of the polyphase primary windings connected primary windings of three star-connected Transformers (30), the secondary windings of which are connected to an energy source for the return of energy to the direct current energy source switched on three-phase rectifier bridge (33) are connected.

8. Drive device according to claim 7, characterized in that the switching device is parallel to the primary windings switched semiconductor switch for short-circuiting the

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Has primary windings in motor operation.

9. Drive device according to claim 8, characterized in that that two semiconductor switches are connected anti-parallel to each primary winding.

10. Drive device according to one of claims 2-5, wherein the number of phases of the multi-phase primary windings is three, characterized in that three connected to the respective phases of the polyphase primary windings Star-connected resistors (14) are provided.

11. Drive device according to claim 10, characterized in that the semiconductor switches are provided in three groups are, each of which contains two semiconductor switches connected in anti-parallel.

KN / hs 5

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